Отключение электрических цепей коммутационными аппаратами сопровождается возникновением и последующим гашением электрической дуги.
В связи с тем, что электрическая цепь переменного тока в нагрузочном режиме в общем случае обладает индуктивным, емкостным и активным сопротивлениями, в магнитных и электрических полях цепи накапливается электромагнитная и электростатическая энергия:
|
После разрыва цепи коммутационным аппаратом накопленная энергия не может мгновенно исчезнуть и должна рассеиваться на активных сопротивлениях. При принудительном мгновенном срезе тока этот процесс может сопровождаться перенапряжениями порядка (5…10) Uн.
В коммутационных аппаратах рассеивание электромагнитной энергии происходит в возникающей при отключении электрической дуге, которая становится активным энергопоглощающим элементом аппарата. В приведенной на рис. 1 структуре электрической дуги в межконтактном промежутке следует выделить участок катодного падения напряжения 1 протяженностью 10-4…10-5 см при падении напряжения 10…20 В (потенциал ионизации), при напряженности поля 105…107 В/см и плотности тока 104…107 А/см2.
 Рис. 1. Зоны дугового разряда |
Ствол дуги 3 представляет область сильно ионизированного газа с температурой 103…104 К и выделяющейся энергией порядка (0,5…1,5)106 Вт/см. Ствол дуги является основным теплоотводящим элементом и существенно зависит от среды, в которой горит дуга (отвод тепла в водородной среде в 20–30 раз выше, чем в воздухе). Анодный участок 2 определяется условиями приема зарядов на аноде с плотностью тока (1…5)103 А/см2.
Баланс энергии в стволе дуги определяется энергией, выделяемой током дуги, и отводимой энергией за счет теплопроводности, конвекции и излучения. При отрицательном балансе тепловыделения обеспечиваются условия для гашения дуги. Падение напряжения в дуге при ее гашении определяется интенсивностью ее деионизации дугогасительными устройствами. Волновая диаграмма, соответствующая процессу гашения дуги в коммутационном аппарате (КА), приведена на рис. 2.
 Рис. 2. Восстановление напряжения в коммутационном аппарате |
В режиме короткого замыкания в цепи преобладает индуктивная нагрузка. При включенном КА падение напряжения между контактами близко к нулю. В момент разрыва электрической цепи (МРК), например, под действием защиты в межконтактном промежутке под действием напряжения внешней цепи возникает дуга (Uзаж). До прохождения тока через нулевое значение (рис. 2, точка 1) падение напряжения в дуге (Uд) определяется совместным ходом ионизационных и деионизационных процессов. При подходе тока к нулю (точка 1) напряжение в дуге возрастает до значения Uгаш и в точке 1 вместе с током цепи падает до нулевого значения. При этом возникает пауза тока (10-4с) и дуга гаснет. Окончательно гашение дуги определяется скоростью восстановления диэлектрической прочности межконтактного промежутка (Uэп). Если диэлектрическая прочность межконтатного промежутка нарастает быстрее, чем падение напряжения в дуговом промежутке (Uв), то дуга больше не возникает. В противном случае процесс гашения перейдёт в следующий полупериод. Напряжение внешней цепи в момент прохождения тока через нулевое значение называется возвращающимся напряжением (U0). Фактическое значение напряжения в межконтактном промежутке называется переходным восстанавливающимся напряжением (Uв), оно имеет вынужденную и высокочастотную составляющую и может существенно превышать напряжение сети, что определяется параметрами (L и С) отключаемой цепи. Значение переходного восстанавливающего напряжения (ПВН) зависит от параметров отключаемой цепи (L, С, R), характеристик выключателя (его дугогасительных устройств, кинематики механизма), мгновенного значения напряжения сети в момент обрыва тока, начального момента короткого замыкания, его вида и других случайных факторов. Это осложняет однозначное и достоверное определение ПВН.
Отключение электрической цепи связано с гашением дуги за счет деионизации межконтактного промежутка и восстановлением его электрической прочности, достаточной для восприятия высокочастотного восстанавливающегося напряжения. То есть гашение дуги сопровождается соревнованием процессов нарастающей электрической прочности между расходящимися контактами выключателя и восстанавливающегося напряжения. Результат этого соревнования и определяет положительный или отрицательный исход процесса отключения. Условия гашения дуги и скорости восстановления электрической прочности в межконтактном промежутке определяются конструкцией и мощностью дугогасительных устройств (внутренняя характеристика выключателя).
Основными факторами, влияющими на процессы деионизации дугового промежутка, являются отключаемый ток, количество выделенного и отведенного от дуги тепла (особенно в зоне прохождения тока через нулевое значение) и свойства дугогасительного устройства, которые зависят от конструкции дугогасительной камеры и процесса гашения дуги.
Процессы восстановления напряжения между контактами выключателя после гашения дуги определяются в основном параметрами отключаемой цепи (внешняя характеристика процесса отключения) и в меньшей степени на него влияют конструктивные элементы выключателя. Таким образом, отключающая способность выключателя определяется предельным отключаемым током (внутренняя характеристика) при определенных условиях восстановления напряжения на его контактах (внешняя характеристика отключаемой цепи). Оценивать количественно и сопоставлять между собой эти характеристики в условиях эксплуатации достаточно сложно, кроме того, один и тот же выключатель может работать в разных условиях, зависящих от схемы сети [1].
1.2. Нормирование восстанавливающего напряжения
ГОСТ 687-78 устанавливает зону допустимых изменений восстанавливающегося напряжения (нормированные характеристики), при которой рост восстановления диэлектрической прочности контактного промежутка (при исправных дугогасительных устройствах) обеспечит положительный исход процесса отключения. Для выключателей до 35 кВ границы нормированной характеристики определяются двумя параметрами (рис. 3, Uс и t1), для выключателей напряжением более 110 кВ – четырьмя параметрами (рис. 4, Uс; U1; t2; t3).
 Рис. 3. Нормированная характеристика для выключателя напряжением до 35 кВ |
Кп = 1,5; Ка = 1,4
 Рис. 4. Нормированная характеристика для выключателя напряжением более 110 кВ |
Кп = 1,3; Ка = 1,4
Временные параметры и отношение Uн/Uраб.max, а также линия запаздывания определяется ГОСТом [2]. Выход кривой восстанавливающегося напряжения за границы нормированных характеристик может привести к переходу процесса отключения в аварийный режим. Получить достоверную характеристику изменения восстанавливающегося напряжения в условиях эксплуатации достаточно сложно. Поэтому целесообразно установить диапазон изменения восстанавливающегося напряжения с учетом возможных схем расположения выключателей установки для различных режимов работы отключаемой сети и параметров установленного оборудования. Если кривые изменения восстанавливающегося напряжения, полученные для широкого диапазона вариантов параметров отключаемой цепи, не выходят за пределы нормированных характеристик, можно, при условии исправности дугогасительных устройств и кинематики выключателя, предполагать сохранение отключающей способности выключателя при работе его в данном месте установки в предельных режимах. Использование компьютерных методов расчета восстанавливающегося напряжения позволяет охватить вычислениями произвольное число изменяемых параметров рассматриваемой сети и оценить внешние условия работы выключателя с учетом критических ситуаций [2]. Для оценки состояния внутренней характеристики выключателя (скорости нарастания) электрической прочности контактного промежутка целесообразно предусмотреть использование специализированных устройств в составе комплекса непрерывной или периодической диагностики выключателя.
1.3. Влияние параметров переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) на отключающую способность выключателя
Отключающая способность выключателя определяется интенсивностью работы его дугогасительных устройств. Для успешного гашения электрической дуги необходимо, чтобы после перехода тока через нуль электрическая прочность межконтактного промежутка росла быстрее и была все время выше кривой ПВН. Электрическая прочность межконтактного промежутка после перехода тока через нуль определяется процессами распада плазмы, содержащейся в стволе дуги. Эти процессы начинаются еще до перехода тока через нуль, и их интенсивность связана с работой принципиально разных дугогасительных устройств для эксплуатируемых типов выключателей. Процессы отключения электрической цепи обусловливают два типа отказов выключателей, существенно отличающихся друг от друга:
• скорость роста восстанавливающегося напряжения (СВН) на дуговом промежутке в первые 2–3 мкс после прохождения тока через нуль превышает некоторое критическое значение, и распадающийся ствол дуги формируется вновь – образуется тепловой пробой (рис. 5, а);
• при успешном прохождении стадии теплового пробоя ПВН достигает максимального значения, превышающего электрическую прочность межконтактного промежутка (рис. 5, б), – наступает электрический пробой.
Условия теплового и электрического пробоя в значительной степени определяются типом выключателя. Из этого следует, что СВН и максимальное значение ПВН, от которых зависит исход гашения дуги, ограничивают отключающую способность выключателя. Количественная зависимость отключающей способности выключателя от величины и формы восстанавливающегося напряжения различны для разных типов выключателей.
Воздушные выключатели имеют кривые восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка S-образной формы с низким значением электрической прочности в течение 10–15 мкс (рис. 5, а, кривая 1). Этот начальный участок обусловливает повышенную чувствительность воздушных выключателей к высоким скоростям ПВН (рис. 5, а, кривая 2) и их подверженность к низковольтным повторным зажиганиям – тепловой пробой.
Масляные выключатели характеризуются меньшим влиянием СВН на предельную отключающую способность, так как гашение в них происходит за счет энергии, выделяемой самой дугой (рис. 5, б, кривая 3). Критические условия в них могут возникнуть при больших амплитудах ПВН (рис. 5, б, кривая 4) – электрический пробой.
 Рис. 5. Сравнение кривых изменения электрической прочности межконтактного промежутка и изменения ПВН |
Обязательное обеспечение АПВ всеми типами выключателей существенно увеличивают зависимость работы всех выключателей от характера изменения ПВН, когда при последнем цикле АПВ работа дугогасительных устройств существенно ухудшается из-за недостаточной интенсивности деионизации межконтактного промежутка.
В вакуумных выключателях дуга горит в парах металла, выделяющихся электродами при размыкании контактов, то есть дуга сама воспроизводит среду, в которой горит. При подходе переменного тока к нулевому значению снижается плотность паров металла, выделяемых с поверхностей нагретых контактов. Интенсивность ионизации в зоне плазмы дуги резко снижается, что способствует быстрому нарастанию электрической прочности межконтактного промежутка, который выигрывает соревнование с изменением кривой ПВН. В связи с этим вакуумные выключатели более устойчивы по отношению к предельным изменениям СВН и ПВН.
Элегазовые выключатели по своим характеристикам близки к воздушным, но высокая электрическая прочность дугогасительной среды (SF6) повышает их устойчивость к возможным предельным значениям СВН и ПВН.